量子计算 量子密钥分发-B92协议

注:本文是之前记录的草稿,估计短期内没有时间写文章。先发出来,以后时机合适再整理重新发布。

量子密钥分发-B92 协议

B92协议是 BB84 的"精简改进版",由 Charles Bennett(也是 BB84 的共同发明人)在 1992 年提出。本文介绍了B92 协议的原理架构、量子态演变和安全性分析。

1. B92协议表示0和1的方案

(1)以50%的概率用状态 ∣0⟩|0\rangle∣0⟩ 表示0。

(2)以50%的概率用状态 ∣0⟩+∣1⟩2\frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}}2 ∣0⟩+∣1⟩ 表示1。

2. B92协议线路模型

当M3=1M_3=1M3=1时,M1M_1M1是M2M_2M2的非。即M1 != M2。

只取 M3=1M_3=1M3=1时的测量结果,丢掉M3=0M_3=0M3=0时的测量结果。这时,M4=M1M_4=M_1M4=M1。

3. 状态演化分析

q3≺q2≺q1≺q0q_3 \prec q_2 \prec q_1 \prec q_0q3≺q2≺q1≺q0

∣ψ0⟩=∣0000⟩|\psi_0\rangle = |0000\rangle∣ψ0⟩=∣0000⟩

∣ψ1⟩=∣0⟩∣0⟩+∣1⟩2∣0⟩∣0⟩+∣1⟩2=∣0⟩∣0⟩+∣1⟩2∣00⟩+∣01⟩2\begin{aligned} |\psi_1\rangle &= |0\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}} |0\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}} = |0\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}} \frac{|00\rangle+|01\rangle}{\sqrt{2}} \end{aligned}∣ψ1⟩=∣0⟩2 ∣0⟩+∣1⟩∣0⟩2 ∣0⟩+∣1⟩=∣0⟩2 ∣0⟩+∣1⟩2 ∣00⟩+∣01⟩

∣ψ2⟩=∣0⟩∣0⟩+∣1⟩2∣00⟩+∣0⟩+∣1⟩2∣1⟩2=∣0⟩∣0⟩+∣1⟩22∣00⟩+∣01⟩+∣11⟩2=∣0⟩2∣000⟩+∣001⟩+∣011⟩+2∣100⟩+∣101⟩+∣111⟩22\begin{aligned} |\psi_{2}\rangle &= |0\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}} \frac{|00\rangle+\frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}}|1\rangle}{\sqrt{2}} \\ &= |0\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}} \frac{\sqrt{2}|00\rangle+|01\rangle+|11\rangle}{2} \\ &= |0\rangle \frac{\sqrt{2}|000\rangle+|001\rangle+|011\rangle+\sqrt{2}|100\rangle+|101\rangle+|111\rangle}{2 \sqrt{2}} \end{aligned}∣ψ2⟩=∣0⟩2 ∣0⟩+∣1⟩2 ∣00⟩+2 ∣0⟩+∣1⟩∣1⟩=∣0⟩2 ∣0⟩+∣1⟩22 ∣00⟩+∣01⟩+∣11⟩=∣0⟩22 2 ∣000⟩+∣001⟩+∣011⟩+2 ∣100⟩+∣101⟩+∣111⟩

∣ψ3⟩=∣0⟩2∣000⟩+∣001⟩+∣011⟩+2∣1⟩∣0⟩+∣1⟩2∣0⟩+∣1⟩∣0⟩+∣1⟩2∣1⟩+∣1⟩∣0⟩−∣1⟩2∣1⟩22=122(2∣0000⟩+∣0001⟩+∣0011⟩+∣0100⟩+2∣0101⟩+∣0110⟩)\begin{aligned} |\psi_{3}\rangle &= |0\rangle \frac{\sqrt{2}|000\rangle+|001\rangle+|011\rangle+\sqrt{2}|1\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}}|0\rangle+|1\rangle \frac{|0\rangle+|1\rangle}{\sqrt{2}}|1\rangle+|1\rangle \frac{|0\rangle-|1\rangle}{\sqrt{2}}|1\rangle}{2 \sqrt{2}} \\ &= \frac{1}{2 \sqrt{2}} (\sqrt{2}|0000\rangle+|0001\rangle+|0011\rangle+|0100\rangle+\sqrt{2}|0101\rangle+|0110\rangle) \end{aligned}∣ψ3⟩=∣0⟩22 2 ∣000⟩+∣001⟩+∣011⟩+2 ∣1⟩2 ∣0⟩+∣1⟩∣0⟩+∣1⟩2 ∣0⟩+∣1⟩∣1⟩+∣1⟩2 ∣0⟩−∣1⟩∣1⟩=22 1(2 ∣0000⟩+∣0001⟩+∣0011⟩+∣0100⟩+2 ∣0101⟩+∣0110⟩)

∣ψ4⟩=122(2∣0000⟩+∣0001⟩+∣0011⟩+∣1100⟩+2∣1101⟩+∣1110⟩)|\psi_4\rangle = \frac{1}{2 \sqrt{2}} (\sqrt{2}|0000\rangle+|0001\rangle+|0011\rangle+|1100\rangle+\sqrt{2}|1101\rangle+|1110\rangle)∣ψ4⟩=22 1(2 ∣0000⟩+∣0001⟩+∣0011⟩+∣1100⟩+2 ∣1101⟩+∣1110⟩)

∣ψ5⟩=122(2∣0000⟩+∣0001⟩+∣1011⟩+∣1100⟩+2∣1101⟩+∣0110⟩)=122(2∣0000⟩+∣0001⟩+∣1100⟩+2∣1101⟩)+122(∣0110⟩+∣1011⟩)\begin{aligned} |\psi_5\rangle &= \frac{1}{2 \sqrt{2}} (\sqrt{2}|0000\rangle+|0001\rangle+|1011\rangle+|1100\rangle+\sqrt{2}|1101\rangle+|0110\rangle) \\ &= \frac{1}{2 \sqrt{2}} (\sqrt{2}|0000\rangle+|0001\rangle+|1100\rangle+\sqrt{2}|1101\rangle) + \frac{1}{2 \sqrt{2}} (|0110\rangle+|1011\rangle) \end{aligned}∣ψ5⟩=22 1(2 ∣0000⟩+∣0001⟩+∣1011⟩+∣1100⟩+2 ∣1101⟩+∣0110⟩)=22 1(2 ∣0000⟩+∣0001⟩+∣1100⟩+2 ∣1101⟩)+22 1(∣0110⟩+∣1011⟩)

  • 当测量指示器 q1=1q_1=1q1=1 时,q0q_0q0 和 q3q_3q3 的结果为 00、11 。概率 25%
  • 当测量指示器 q1=0q_1=0q1=0 时,q0q_0q0 和 q3q_3q3 的结果为 00、01、10、11 。概率 75%

4. 安全性分析

(1)设Alice和Bob需要nnn个随机比特的密钥。

Alice和Bob采用上面介绍的量子线路用8n8n8n个随机数产生2n2n2n个备选比特。

(2)Alice和Bob从得到的2n2n2n个备选比特中随机选取nnn个比特在经典信道上进行比较。

  • 若比较结果全部相同,则将剩余的nnn个比特作为密钥使用。
  • 若存在不相同的比特(假设量子信道是无噪声的理想信道),则放弃本次密钥分配过程,然后重新进行(1)过程。

例 假设Eve拥有Bob的接收装置和Alice的发送装置。设计一个Eve从量子信道窃取密钥方案的量子线路,并分析Eve能够成功获取密钥的概率。

有2种情况Eve可成功窃取密钥

(1)M6=M3=1,M7=M1=M4=0;M5=M2=1M_6=M_3=1, \quad M_7=M_1=M_4=0;\quad M_5=M_2=1M6=M3=1,M7=M1=M4=0;M5=M2=1

(2)M6=M3=1,M7=M1=M4=1;M5=M2=0M_6=M_3=1, \quad M_7=M_1=M_4=1;\quad M_5=M_2=0M6=M3=1,M7=M1=M4=1;M5=M2=0

Eve成功窃取密钥而未被Alice和Bob发现的概率为
p=2×0.03125=0.0625p = 2 \times 0.03125 = 0.0625p=2×0.03125=0.0625

若Alice和Bob用10个备选比特验证,而都无法发现Eve成功窃取密钥的概率为
p10≈9×10−13p^{10} \approx 9 \times 10^{-13}p10≈9×10−13

若Alice和Bob用100个备选比特验证,而都无法发现Eve成功窃取密钥的概率为
p100≈4×10−121p^{100} \approx 4 \times 10^{-121}p100≈4×10−121

5. BB84 与 B92 协议的比较

比较项目 BB84 协议 B92 协议
密钥产生效率 50%50\%50% 25%25\%25%
Eve 成功窃听单个随机数的概率 (ppp) p=4×0.0703125=0.28125p = 4 \times 0.0703125 = 0.28125p=4×0.0703125=0.28125 p=2×0.03125=0.0625p = 2 \times 0.03125 = 0.0625p=2×0.03125=0.0625
安全性特点 窃听成功率较高,但效率也较高 窃听成功率较低,安全性相对更强,但效率较低

参考文献

高岩《量子线路》

相关推荐
Qforepost1 天前
量子前哨+太平金科联合发布《量子计算赋能保险业的可行性分析报告》(2026)
量子计算
梦帮科技2 天前
QML-04-QGraph-Diff:量子非欧图扩散生成模型与 SE(3) 等变分子晶格逆向合成完整技术指南(上部分)
人工智能·算法·自动化·量子计算·傅里叶分析
梦帮科技2 天前
基于幺正李代数连续归一化流的混合量子生成模型 (HQNN-Flow) 完整技术指南(上部分)
网络·人工智能·算法·量子计算
Liaiyang666 天前
空圈容错·极限工程实战下篇——外部供给层怎么升维,内外层怎么联动
量子计算·脑机接口·1024程序员节·科学哲学·容错设计·系统思维·工程方法论
JZMSYYQ8 天前
超低温霍尔仪在量子计算中具体测什么
量子计算·霍尔效应·霍尔测试·霍尔效应测试·霍尔效应实验仪·超低温
量子客8 天前
中性原子量子计算公司,又多了一家
量子计算
量子客9 天前
「跨过纠错阈值」与「实用容错计算」之间,还有多远距离?
量子计算
简单风9 天前
量子科技入门(一)量子通信,它管的不是网速
科技·量子计算
frankzch11 天前
Claude 刷新量子电路最优:LLM 与评估器的进化循环怎么搭
人工智能·深度学习·机器学习·语言模型·量子计算
RichardLau_Cx13 天前
合肥科创产业生态解析:量子、可控核聚变、半导体与多元未来产业的技术布局
量子计算